水蒸気って冷えても水蒸気？

質問

水を熱するとやがて沸騰して水蒸気となります。でも、空気中に出たらそこは明らかに１００度以下です。１００度以下になっても水蒸気は水蒸気のままなのでしょうか。それとも細かい水滴が空気中に漂っているという状態なのでしょうか。

もし１００度以下の空気中に水蒸気があるとしたら何か変な気がします。０度以下になったら水は１００パーセント氷になるのに何故水蒸気は１００パーセント水にならないのだろうかと。

逆に１００度以下の空気中に水蒸気がなかったとしても変な気がします。「ドライアイスによって空気中の水蒸気が冷やされて白いものが出る」という説明をある新聞で読んだからです。

分かる方ぜひ教えていただけると助かります。

回答No.14

noname#80753 · ベストアンサー

そうでしたか、前回失礼な表現があったかと思いますがご容赦下さい。
水滴はどんなに小さくなろうが水滴です。水蒸気は水の分子が単独で飛び出したものですから様態が違います。空気中に酸素や窒素の分子と一緒になって飛び回っています。

http://www.cc.kochi-u.ac.jp/~akamatsu/nacl/intro-v110.html

http://www2.biglobe.ne.jp/~norimari/science/JavaApp/Mole/Mole.html
このシミュレーションで分子が動きながらもくっつきあっている状態が液体。
くっついていないのが気体。
シミュレーションで分子が細かく動いているけれども位置関係が変わらない状態の時が固体です。接触は保ち続けているけれど分子が動いて位置があちこち入れ替わっている状態が液体です。じっくり観察してください。
気体は分子同士の間がスカスカですから圧縮膨張できますが固体や液体はすき間がないのでほとんどできません。ですから油圧ブレーキの管の中に気体が入ってしまうと油圧の力が伝わらなくなってしまう現象が起きます。

固体や液体から飛び出して行く水の分子が水蒸気=水の気体です。こういう開けた空間では液体や固体の水と共存しているわけです。
気温が0℃以下になっても空気中に水蒸気はあります。
http://www.s-yamaga.jp/nanimono/taikitoumi/kukichunosuijoki.htm

分子一ヶでも固体の場合がありうるかどうか？さあ、私ではわかりません。

小学校などで水は100℃で沸騰して気体になるとだけ習った理由はそのように整理して教えないとわけがわからなくなるからでしょう。
そのフォロー（湿度や飽和水蒸気圧の説明）はおそらく高校ぐらいでしているはずなのだろうと思います。

お礼

シミュレーションのもの、大変分かりやすかったです。

>分子一ヶでも固体の場合がありうるかどうか？
なるほど、そんな魅力的で面白い疑問を持つ方もいらっしゃるんですねえ。

>小学校などで水は100℃で沸騰して気体になるとだけ習った理由はその>ように整理して教えないとわけがわからなくなるからでしょう。
これも納得です。自分自身、これだけの混乱を経験したのですから大いにうなずけます（苦笑）。

ご回答どうもありがとうございました。

補足

皆様、本当に親切なご説明をありがとうございました。おかげで、頭の中がすっきりしました。
たくさんの方々にお礼ポイントを差し上げたいのですが、お二人にしか差し上げられないのが辛い所です。結局、単純に自分が「おおっ」と感動したご回答にポイントをつけさせていただきました。

回答No.13

htms42

＃７です。
＞また、「H2Oは２０℃の時、固体か液体か気体か」という問題があったとしたら、「液体と気体の両方」と答えるのが正しいのでしょうか。

温度しか条件が示されていない時は答えようがありません。

＞つまり、「気体でも液体でもありうる」ということですよね。

これだと正しいのですが
＞「液体と気体の両方」と答えるのが正しい
とは言えないのです。
条件次第では「液体だけが存在する」、「気体だけが存在する」、「両方が存在する」のどれも実現できます。

密閉された容器の中に水が入っているとします。
（１）水以外の物質は入っていない場合
　　気体の水と液体の水の両方が存在する可能性があります。どちらがどれだけ存在するかは水の量と容器の大きさの兼ね合いで決まります。容器が十分に大きければ全て気体の水になります。容器には大気圧がかかっているとします。２０℃の時の飽和水上気圧は大気圧よりもかなり小さいですから容器の大きさを保つためにはかなりの強度が必要でしょう。容器の体積が変わるようになっていていれば（ピストンがついていれば）外部の圧力の方が大きいですから体積は小さくなります。圧縮されろと蒸気圧は大きくなります。飽和蒸気圧を超えた分が液体の水に戻ります。蒸気圧は飽和蒸気圧を維持した状態で圧縮が続くということになります。この段階の途中でピストンを固定すれば液体の水と気体の水の共存状態になっています。どんどん体積が小さくなっていくと気体の水が全て液体の水に変わってしまいます。
容器の内部に水しか入っていないときは大気圧と飽和水蒸気圧の差に相当する圧力を補ってピストンを固定しない限り、液体の水と気体の水の共存状態を維持することは出来ません。
体積を大きくしていったとします。共存状態である限り体積に関係なく補う圧力は同じです。液体の水がなくなった段階から補う圧力が大きくなり始めます。でも大気圧の大きさを越えることはありません。
（２）容器の中に空気も入っている場合、
この場合は空気によって気体の水の存在する領域が確保されていますので常に気体の水が存在します。液体の水だけが存在するという状態を実現することはできません。容器の体積が十分に大きければ液体の水は存在しなくなります。水の量が十分にあれば液体の水と気体の水の共存です。
（空気の働きは空間を確保するだけです。圧縮しても空気の体積をゼロにすることは出来ないのですから常に水蒸気が存在するのです。水の飽和蒸気圧は空気の圧力には無関係です。ピストンを動かせが空気の圧力は変わります。でも水蒸気圧は一定です。飽和水蒸気圧は温度だけで決まります。）

空気が入っているのかいないのかをあまり意識していない場合が多いですね。でもそれを決めないと結果は決まりません。
フタがある、ないも意識されていませんね。
ついでにフタのない場合を考えて見ましょう。
・容器に水を入れます。
（これはどこか別の所に液体の水が存在しているから可能になる操作です。）
・水の蒸発が起こります。
（水の蒸発が起こるということは周囲の大気中の水蒸気圧が飽和になっていないということです。大気中の水蒸気圧が飽和になっているというのは土砂降りの雨の中でもない限り、実現していないことでしょう。）
・周りの空間が大きいですから水の蒸発が少々続いたからといって飽和は実現しません。（平衡状態は実現しません。）
・液体の水が全てなくなるまで蒸発は続くでしょう。
・全ての水がなくなるまでの時間は水の量によって変わります。その時間よりも短い時間で観察すれば液体の水と気体の水が共存している事になります。
・液体の水と気体の水の共存状態は平衡状態で観察される状態ではありません。平衡状態自体が存在しないのです。

海に水があるのは周りの空間の大きさに比べて水の量が圧倒的に多いからです。２０℃は平均気温に近い値です。でも上空に行けば温度が下がりますから２０℃の水蒸気の存在できる空間というのはそれほど広くはないのです。空気の流れに乗って上空に上がった水蒸気は冷やされて水滴に戻ります。水滴が雨になって落ちてくるというのは蒸発の速さよりも落下の速さが速いからです。
朝方に観察された霧が陽が差してくるに従って晴れてきたというのは「水滴が蒸発したから」だと言われます。「水滴が蒸発する」というのは水滴表面からの蒸発で水滴の中の液体の水の量が減っていくことに対しての表現です。

＞私は最初、「水蒸気＝水の気体」「細かい水滴＝水の液体」と理解していました。
これは基本的な認識です。これを元に全ての話を進めているのです。

＃７に「蒸気」という言葉に混乱があると書きました。
その混乱に引きずられてはいけません。

どれくらいの大きさの水滴だと浮かぶかというのと気体か液体かというのとを一緒にしてはだめです。別の問題です。

お礼

なるほど、色んな条件をきちんと設定しないと正確な現象も述べられないのですね。それにしても、こんなに多様に条件分けできることは思いもしませんでした。拝読していて、世界がどんどん広がっていくようで楽しかったです。

どうもありがとうございました。

回答No.12

noname#80753

11です
質問で「１００度以下になっても水蒸気は水蒸気のままなのでしょうか。それとも細かい水滴が空気中に漂っているという状態なのでしょうか。」と書いていらっしゃるのはどういうことなのですか？
わかっているから書いているんでしょう？
この質問は気体と液体の定義を求める質問ではなかったですよね？

気体と液体の違いをご存じないと言うことでしょうか??

お礼

私は最初、「水蒸気＝水の気体」「細かい水滴＝水の液体」と理解していました。ところが、回答者：monyuonyu様の表現ですと「水蒸気＝水の気体＝細かい水滴」となっており、「水蒸気も水の水滴？」と新たな疑問がわいてきてしまいました。

>気体と液体の違いをご存じないと言うことでしょうか??

まさにそうであります。でも、このことは新たに質問するか自分で勉強したほうが良さそうですね。どうもご迷惑をおかけしました。

回答No.11

noname#80753

・100℃以下の空気中にも水蒸気は水蒸気(水の気体)のまま存在します。
気温によって空気中に溶けている水蒸気の割合は違ってくる、気温が高ければ多くて低ければ少ない。
http://www.max.hi-ho.ne.jp/lylle/shitsudo1.html
溶けられるだけ溶けた、これ以上溶けられない状態を飽和という。
http://www.gifu-net.ed.jp/kishou/kansoku/shitsudo/index.htm
・水蒸気が溶けている空気を冷やすと飽和して気体として存在できなくなった水蒸気は水になる、湯気とはごく小さい水滴のこと。お湯の上などでは上昇して熱を奪われ水蒸気が飽和した空気の中に水滴が生じている。
お湯に大量に溶かした塩がお湯が冷えると析出するのと似ています。
・固体相や液体相のものを気体にするにはさらに熱が必要。
つまり20℃で沸騰する物でも20℃に達した上に熱が加わらなければ気化しない。だから「20℃では気体液体どちらでもありうる」が正解。
実際1気圧の空中で温度計をビーカーに突っ込んで加熱して行くと100℃に達したのち沸騰をはじめて、蒸発し切るまで100℃のままです。100℃に達した途端に全てが気体になるわけではありません。
・沸点以下でも空気が飽和するまで水は蒸発して水蒸気になる。その際に気化熱が必要。水が蒸発する時に熱を奪うので汗や水で濡れた服は冷たい。
湿度が100%だと汗が気化しないので同じ気温でも暑い。(湿度100%でも気温より体温の方が高ければ身体のまわりは気温が上がって蒸発します)
(気温が体温より高くても湿度が低ければ汗が蒸発して体温は維持できます)

これでどうでしょうか。

お礼

ご回答ありがとうございました。

そして、自分がもっと基本的なことを理解していないことに気付きました。あの、水蒸気（水の気体）と湯気（水の液体）の違いって何なのでしょうか。大きさ以外に違いはあるのでしょうか。また、違いが大きさのみだったとしたら、どこからが気体でどこからが液体という線引きはどうやってしているのでしょうか。ご教示いただけると大変ありがたいです。

回答No.10

monyuonyu

１です。
＞＞空気中に水の気体は存在するのか
おそらくこの質問のキーワードは、圧力、蒸気圧、気液平衡、などかと思います。
どんな温度であろうと、水があるかぎり空気中には水蒸気が存在します。
つねに液体と気体を行き来しています。　その行き来する量には圧力が関係しています。
宇宙など真空で圧力がまったく無い場合、すべて蒸気になり拡散します。

お暇でしたらキーワードを少しお調べになるとよく分かるはずです。

お礼

ご回答ありがとうございました。

うむむむ。１様は
水蒸気＝水の気体＝細かい水滴
とおっしゃっているのでしょうか。ということは、湯気（液体）と水蒸気（気体）の違いは大きさだけで他に性質の違いは無いということなんでしょうか。

そして、自分なりに予想してみたのですが、「湯気とは地面に落ちてしまう大きさのもの」「水蒸気とは地面に落ちずに常に空気中を漂えるもの」ということなのでしょうか。

本来なら教えてくださったキーワードで勉強してからお聞きするべきかもしれませんが、驚き大きく思わず書き込んでしまいました。お許しください。

回答No.9

noname#100814

＞氷が融けたら何になる？」という問題には「水にもなるし水蒸気にも＞なる」と答えるのが正解ということなんでしょうか

　「氷が融けたら何になる？」の正解は「水になる」でしょう。
　「融ける」とは固体が液体になることですから。
　「氷が気化（昇華）したら何になる？」でしたら答えは「水蒸気になる」でしょう。

お礼

ああ、なるほど。納得しました。

ご回答ありがとうございました。

回答No.8

noname#160321

>H2Oは２０℃の時、固体か液体か気体か
「大気圧下」では「気体と液体の平衡状態」
と言うのが化学のお答えです。
圧力が高いと固相も現われます。
また圧力が高くても「臨界温度」より高温では「気相と液相」の区別のない「超臨界流体」が現われます。
なお、今までの議論で「飽和水蒸気圧」についての記述がなかった様に思われます。
水が液体でも固体でも平衡状態では気相に当該温度での飽和水蒸気圧の水蒸気の分圧が存在します。
なお、気相が無い(ビニール袋に詰めた水や注射筒の中の水で空気が全く無い)場合は水蒸気が存在できません。
注射筒に詰めた水を無理やり引いて気相を作るとそこは飽和水蒸気圧の水蒸気で満たされています。(トリチェリーの真空内には水銀の飽和蒸気が存在します)

お礼

ご回答ありがとうございました。

しかしながら・・・私の頭では難しく今現在ほとんど理解できておりません。今後、勉強させていただきます。

>「気体と液体の平衡状態」
つまり、気体でも液体でもありうるということですよね。この点だけでも伺えて良かったです。

回答No.7

htms42

すでに回答がされていますが。

物質の状態変化は中学校、高等学校で出てきます。
液体から気体への変化は気化と呼んでいます。液体である全温度範囲で起こります。
気化を２つの場合に分けることが出来ます。
液体の表面からだけ気化が起こっている場合と液体の表面からと内部からの両方で気化が起こっている場合とです。
表面で起こっている気化を蒸発と呼びます。蒸発が起こっていることは目には見えません。いつの間にか液体の量が少なくなっていたということで気がつく場合が多いです。洗濯物が乾くことで蒸発が起こったということがわかるというのも同じ判断です。生じた気体の温度が下がったことでもう一度液体に戻った、その液体の存在で分かることもあります。湯気が白く見えるのは蒸発して生じた水蒸気の温度が下がっったためです。水滴が生じて白く見えます。やかんの口から出ている湯気を観察すると白く見えるのは口から少し離れた所からです。口に近い所は温度が高いですから少しはなれて温度が下がった所から見え始めるのです。
液体内部から気化が起こると泡が見える事になります。これは沸騰と呼ばれている現象です。泡のできる条件ですから沸騰の起こる温度は外部の気圧に関係します。普通沸点と呼ばれているものは外気圧が１気圧の時に沸騰の起こる温度です。外部の圧力を下げると泡の発生は楽になりますので沸騰の温度は低くなります。
沸騰か蒸発かのどちらかが起こるというのではありません。蒸発は常に起こっています。ある温度で内部からの気化が付け加わるのです。蒸発に沸騰が付け加わるのです。
固体から気体への変化も起こります。ドライアイスは融けずに減っていきますから気体への変化が顕著な物質です。昇華という名前で呼ばれています。ドライアイスほどではありませんが氷の場合でも昇華は起こっています。

気体の水を水蒸気と呼んでいます。水の分子が空間にバラバラに存在している状態です。水の分子の大きさは１ｃｍの１億分の１程度の大きさですから目には見えません。何かあるなと感じるようになった時には少なくとも１０００倍程度の大きさの粒になっていなければいけないでしょう（この大きさは光の波長との関係で決まります）。白い粒が分かる程度であればもっと大きいです。水の分子が集まってこれだけの大きさになっているものというと液体の粒です。温度が低ければ氷の粒です。直径が１０００倍になれば体積は１０００×１０００×１０００倍になりますから集まっている分子の個数も１０００×１０００×１０００の程度です。
煙突から煙が出ているという場合、目に見えているのは固体の粒か液体の粒です。気体も一緒に出ていますが目には見えません。

元々蒸気という言葉は水を加熱した時に出て来る気体状のもの全体を意味していたと思います。湯気の中に含まれている水滴（液体の水）と気体の水とを区別する発想はなかったでしょう。現在も日常的にはそういう使い方がされていると思います。でも物理や化学で現在「蒸気」といっているのは気体のことです。
このことによる混乱もかなりあるようです。

お礼

ご回答ありがとうございました。

気圧によって何故沸点が変わるのかがよく理解できました。
氷でも昇華があること、驚きました。
「水蒸気」というのは化学では気体を指すことを確認できました。

これだけでも、ここに質問して本当によかったと感じています。

更に答えていただけるとありがたいのですが、「氷が融けたら何になる？」という問題には「水にもなるし水蒸気にもなる」と答えるのが正解ということなんでしょうか（春になるという答えもオツですが）。

また、「H2Oは２０℃の時、固体か液体か気体か」という問題があったとしたら、「液体と気体の両方」と答えるのが正しいのでしょうか。

よろしくお願いいたします。

回答No.6

パんだ パンだ（@Josquin）

まず確認しておきたいのは、水蒸気は目に見えないということです。
目に見える湯気、霧、ドライアイスから出ているように見える煙のようなものはいずれも水蒸気が冷えて出来た細かい水滴です。

とはいえ、そのときには水蒸気が全て水滴になっているわけではなく、水滴と水蒸気が混ざった状態になっています。

空気中に水蒸気として存在できる水の量は、温度が高いと大きくなり、温度が低いと小さくなります（比例するわけではありませんが）。
温度が低いと水蒸気でいられる水の量が小さくなるとはいえ、100℃未満どころか０℃以下でも水蒸気は存在します。

温度が低くても濡れた洗濯物が乾くのは、水が水蒸気になって飛んでいくからです。

お礼

ご回答ありがとうございました。

０℃以下でも水蒸気が存在するのですか。凄いですねえ。貴重なことを教えてくださり重ねて御礼申し上げます。

回答No.5

since1983

厳密には正確でない表現になってしまっているかもしれませんがご容赦願います。質問の回答としては、沸点以下でも水は気体として存在できます。

気温によって、気体として空気中に溶けていられる（＝水蒸気でいられる）水の量は変化します。その量は気温に比例します。つまり気温が高ければより多くの水が気体として空気中に存在でき、低ければ少ししか気体として空気中に存在できません。気温が下がり、気体として存在できなくなったものは水に戻ります。寒い日の窓ガラスに水滴がついているの見たことありますよね？また質問者さんが例として挙げている「ドライアイスから出る白いもの」も、ドライアイスの周りの空気が冷やされて水蒸気として存在できなくなったものが細かい水の粒に戻ったものです。

お礼

ご回答ありがとうございます。

>沸点以下でも水は気体として存在できます。

そうなんですか。うーん、だとしたらですよ、「氷が融けたら何になる？」という問題には「水にもなるし水蒸気にもなる」と答えるのが正解ということなんでしょうか（春になるという答えもオツですが）。

また、「H2Oは２０℃の時、固体か液体か気体か」という問題があったとしたら、「液体と気体の両方」と答えるのが正しいのでしょうか。

是非、教えていただけるとありがたいです。

回答No.4

norikunny

一般的に水蒸気と言うと、沸騰したヤカンの注ぎ口から立ち上る湯気を想像しますが、必ずしも水は沸騰しなくても水蒸気を発生します。

たとえば、秋に日本に来る台風ですが、台風の発生するしくみは、赤道付近で海水が温められて水蒸気になり発達した低気圧だと考えられますが、赤道付近の海水はどう考えても１００度にもならないですよね？

ですから、１００度未満の空気中に水蒸気が含まれていても変な事はないです。

お礼

ご回答ありがとうございました。

ということは、２０℃の気温の中では水は液体としても気体としても存在するということですよねえ。小学校の時は、そういうふうに教わった覚えがないのですが、どういうわけなんでしょうか。更なるご説明いただけたら嬉しいです。